技术领域本发明大体涉及钻井领域，尤其涉及一种钻井系统及在钻井时用于识别井涌(Kick)的方法。
背景技术：
从地下地层(SubsurfaceFormation)来寻找并开探碳氢化合物(Hydrocarbon)已经进行了若干年。由于以地面为基地的油井生产能力有限，从海底油井开探碳氢化合物就引起了关注。通常，在钻探海上油井时，钻杆(DrillPipe)上设置可转动的钻头(DrillBit)以用于在海床下钻探井筒(Wellbore)。表面平台，如海面平台或钻井船通过钻杆对钻头进行控制。同时，钻井组件连接在海面平台和海床上形成的井口(Wellhead)之间。该钻井组件包括立管(Riser)、低位海下油管截油装置(LowerMarineRiserPackage，LMRP)和防喷器(BlowoutPreventor，BOP)，钻杆穿过立管来导引钻头到井口处。在钻井过程中，钻杆例如从海面平台获得必要的能量驱动钻头转动。其间，来自设置在海面平台的流体罐的钻井流体(或者钻井泥浆)通过钻杆到达钻头，然后通过设置在钻杆和立管之间，或者钻杆和套管(Casing)之间的环形空间返回流体罐。钻井流体维持了一定的静水压力(HydrostaticPressure)来平衡来自井筒的流体的压力并在工作期间对钻头进行冷却。另外，钻井流体与井筒形成过程中产生的物料相混合以携带其到海面进行处理。在一些情况下，从地层中进入井筒中的流体的压力大于钻井流体的压力，其可导致往井筒中侵入不期望的流体，这在行业中可称为井涌。通常可采用检测器如流量计测量来自井筒的返回钻井流体流量，当返回钻井流体的流量大于来自流体罐中钻井流体的流量时可估计井涌有可能发生。在一定的情况下，井涌的发生具有潜在的风险，其可造成设备损坏及对操作人员和环境造成不利影响。为了防止这种灾难性的破坏，有必要关闭防喷器的截止阀门或调整钻井流体的密度以缓解井涌现象。然而，如果检测井涌时发出误报警信号，防喷器的截止阀门被不必要的关闭，重复对截止阀门进行操作会减少防喷器的寿命。因此，希望采用一种更准确的井涌检测方法以识别出井涌的发生，从而仅当必要时再关闭防喷器的截止阀门。因此，有必要提供一种改进的系统和方法以解决如上所述的至少一个问题。
技术实现要素：
本发明的一个方面在于提供一种钻井系统，其包括钻井组件及监控系统。所述钻井组件被连接在平台和井口之间用于钻探井筒。所述监控系统设置在所述钻井组件上，并且包括检测装置及处理器。所述检测装置用于获得与来自所述井筒的返回流体相关的特性参数并且获得所述返回流体的密度参数。所述处理器用于基于所述获得的特性参数和所述获得的密度参数来识别出井涌的发生。本发明的另一个方面在于提供一种用于识别井涌的方法，其包括：获得来自由钻井系统钻探的井筒的返回流体相关的特性参数；获得所述返回流体的密度参数；基于所述获得的特性参数和所述获得的密度参数来识别出井涌的发生。根据本发明的钻井系统及用于识别井涌的方法通过将与返回流体相关的特性参数来作为识别井涌发生的第一参考指标以及将返回流体的密度参数来作为识别井涌发生的第二参考指标结合起来应用，能够大大地提高预测井涌发生的精确度，降低误报警，并且进而可以提高钻井系统的运行效率。本发明的钻井系统通过降低误报警可以更加可靠地工作。附图说明当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：图1是根据本发明的一个具体实施方式的钻井系统的示意图；图2是根据本发明的一个具体实施方式的附接到钻井系统的第二检测装置的示意图；图3是根据本发明的一个具体实施方式的扭转波密度计的示意图；及图4是根据本发明的一个具体实施方式的用于识别井涌的方法的流程图。具体实施方式以下将描述本实用新型的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本实用新型公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“设置”、“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。请参照图1，示出根据本发明的一个具体实施方式的钻井系统100的示意图。在本发明的具体实施方式中，钻井系统100可用来钻探井筒来开探碳氢化合物。在非限定的示例中，井筒包括陆上井筒(OnshoreWell)和海上井筒(OffshoreWell)。在一个示例中，钻井系统100用来开探海上井筒。如图1所示，钻井系统100通常包括位于海面上的平台101及连接在该平台101和井口105之间的钻井组件103。平台101可包括钻井船只或海上塔架。该钻井组件103包括连接至该平台101的近端102和连接至该井口105的远端104。更具体地，该钻井组件103连接到该平台101的底部并至少部分地浸没在海水中。该钻井组件103用于钻探井筒132。在一个具体实施方式中，该钻井组件103包括钻柱110、钻头114、立管111、防喷器(BlowoutPreventor，BOP)115以及低位海下油管截油装置(LowerMarineRiserPackage，LMRP)113。在一个具体实施方式中，该钻柱110包括钻杆(DrillPipe)，其包括多个具有一定长度的首尾相连的管状段。该钻头114安装在该钻柱110的末端。该钻柱110可用来驱动该钻头114转动以在海床107下对地层进行钻探进而形成该井筒132。该立管111从该平台101大致垂直延伸至该井口105。该立管111可包括多个立管段，该多个立管段通过多个立管连接件(未示出)连接在一起。该钻柱110可设置在该立管111中且沿着该立管111的长度方向在该立管111中延伸。在钻井过程中，该钻柱110驱动该钻头114转动并通过该钻柱110将该钻头114连接至该平台101。同时，来自该平台101的流体罐(未示出)的钻井流体112通过该钻柱110到达该钻头114，然后通过形成于该钻柱110和管道间的环形空间122以返回钻井流体的形式返回平台101。在一个具体实施方式中，作为非限制性的示例，管道可以包括立管111。在另一个具体实施方式中，管道可以包括套管(未示出)。该钻井流体112(也称为钻井泥浆)维持一定的静水压(HydrostaticPressure)以平衡地层流体的压力、冷却该钻头114，同时可携带钻井过程产生的物料混合物至海面。该物料混合物可包括钻探该井筒132时形成的岩石碎屑。从该平台101注入的该钻井流体112除了原有的钻井流体组分之外，还可以包括水、油和/或其他钻井液成分。该返回钻井流体可至少包括钻井流体112和钻探该井筒132的过程中产生的物料混合物。在该平台101上对返回钻井流体进行处理，比如对该返回钻井流体进行过滤以滤除其中的岩石碎屑等物质的操作，处理后的返回钻井流体可用作该钻井流体112重新进行循环。如上所述，在一定的应用中，从地层中进入该井筒132中的流体的压力可大于该钻井流体112的压力，这可导致井涌(Kick)的发生。当井涌发生时，地层流体117，典型地包括油气混合物，随同返回钻井流体一同进入该井筒132中，从而产生较大的返回流体116。如果控制不当，来自该井筒132的该返回流体116在该环形空间122中流动并在到达该平台101后从该钻井组件103中喷发而出进而导致井喷(Blowout)。这里所用的术语“返回流体”可指代在该环形空间122中流动的该返回钻井流体，该返回钻井流体和该地层流体117的混合物，或该地层流体117。如图1所示，该低位海下油管截油装置113置于该立管111的末端并与该防喷器115相邻放置或放置在该防喷器115上方。该低位海下油管截油装置113包括连接器127以用于将该低位海下油管截油装置113连接至该立管111。采用该低位海下油管截油装置113，通过分离该连接器127，该平台101可与该井筒132分离。该防喷器115置于该低位海下油管截油装置113和该井口105之间。该防喷器115包括通常冗余地堆叠在一起的一个或多个截止阀门125以用于密封、控制并监控该井口105。当怀疑有井涌发生时，在一些情况下，通过部分关闭该防喷器115的截止阀门125以密封该环形空间122从而阻止该返回流体116向上输送至该平台101。这样，通过该钻井流体112在该立管111中的循环，该静水压可重获平衡。在一些情况下，通过完全关闭该防喷器115的截止阀门125以完全密封该井口105，即该钻井流体112的通道和该返回流体116的通道都被截止，该井筒132被完全密封。为延长该防喷器115的寿命和/或防止因误报警而对该防喷器115进行误操作所带来的巨大损失，有必要在对该防喷器115进行操作之前识别出井涌的发生。因此，希望提供一种更准确的识别井涌的方法以减轻或避免真正井涌的发生造成的危害或误报警带来的损失。在一个具体实施方式中，本发明提供了一种用于精确识别出井涌发生的监控系统129。如图1所示，该监控系统129包括设置在该钻井组件103的近端102和远端104的第一检测装置109和第二检测装置119。在该具体实施方式中，作为示例，第一检测装置109和第二检测装置119被示作为两个独立的检测装置。然而，本发明的监控系统129不应局限于包括两个独立的检测装置。在本发明的另一个具体实施方式中，第一检测装置109和第二检测装置119也可以整合在单一的检测装置中，而不脱离本发明的创作实质。如图1所示，第一检测装置109设置在该低位海下油管截油装置113，第二检测装置119设置在立管111上。在一些具体实施方式中，第一检测装置109和第二检测装置119中的任一个可以设置在低位海下油管截油装置113、防喷器115、立管111的任何其他部件上或者套管上。在其他具体实施方式中，第一检测装置109可以设置在平台101上，第二检测装置119可以设置在低位海下油管截油装置113、防喷器115或者立管111的任何其他部件上。更具体地，第一检测装置109用来获得与返回流体116相关的特性参数。返回流体116的特性参数可以包括与井涌发生相关的任何参数，例如，声速、体积流量以及返回流体116的压力等。因为当井涌正在发生时，返回流体116的密度参数将由于混合流体的侵入而发生变化，因此，返回流体116的密度参数将是需要监控以识别井涌是否发生的参数之一。返回流体116的密度参数可以包括返回流体116的密度或者返回流体116的密度变化。鉴于此，第二检测装置110用来获得返回流体116的密度参数。在一些具体实施方式中，监控系统129还包括处理器(未图示)。在一些具体实施方式中，处理器可以放置在平台101上。在一些具体实施方式中，处理器也可以放置在钻井系统100例如钻井组件103的其他部件上。处理器用来基于所获得的与返回流体116相关的特性参数及所获得的返回流体116的密度参数来识别出井涌发生。在一个具体实施方式中，处理器用来基于所获得的特性参数来产生第一报警信号，并且，基于所获得的密度参数来产生第二报警信号。例如，如果测量得到的返回流体116的体积流量大于预定的钻井流体112的体积流量时，则产生第一报警信号。在一些具体实施方式中，可以通过观察流体罐中的流体体积来产生第一报警信号。更具体地，当流体罐中的流体液位迅速上升时，则意味着流入流体罐中的返回流体116的量大于从流体罐中流出的钻井流体112的量，此时，产生第一报警信号。在一个具体实施方式中，处理器分析返回流体116的密度参数，并且根据分析的结果产生第二报警信号。在一个具体实施方式中，当分析的结果指示返回流体116包括侵入不期望的流体时，则产生第二报警信号。本发明的监控系统129可以监控与返回流体116相关的特性参数来作为识别井涌发生的第一参考指标，并且可以监控返回流体116的密度参数来作为识别井涌发生的第二参考指标。通过将识别井涌发生的第一参考指标和第二参考指标结合起来应用，本发明的监控系统129能够大大地提高预测井涌发生的精确度，降低误报警，并且进而可以提高钻井系统100的运行效率。本发明的钻井系统100通过降低误报警可以更加可靠地工作。在一个具体实施方式中，第二检测装置119是用于测量流体密度参数的装置。在本具体实施方式中，第二检测装置119用来测量返回流体116的密度。参照图2，示出根据本发明的一个具体实施方式的附接到钻井系统100的第二检测装置119的示意图。在所示的具体实施方式中，第二检测装置119包括扭转波密度计。扭转波密度计119的扭转波能量与周围流体(即返回流体116)具有很强的相互作用。在所示的具体实施方式中，扭转波密度计119组装在立管111上。扭转波密度计119包括换能器201、电子驱动电路207、第一波导203以及第二波导205。钻井系统113包括用于收容换能器201和电子驱动电路207的腔体221。腔体221是一个封闭空间，并且返回流体116与腔体221相隔离。钻井系统113包括用于收容第一波导203和第二波导205的空腔223。第一波导203和第二波导205浸没在返回流体116中。扭转波密度计119可由组装在防喷器115上的电源或组装在平台101上的电源来供电。因此，当扭转波密度计119组装在立管111、低位海下油管截油装置113和防喷器中的任意一个上并且加工它时，仅需要更少的空间并且仅需做较小的改动。在一些具体实施方式中，第一波导203和第二波导205设置成具有不同的横截面几何尺寸。在一些具体实施方式中，第一波导203和第二波导205也可以被加工成单个的固体波导，该单个的固体波导具有不同横截面几何尺寸的两段。在图3所示的具体实施方式中，第一波导203包括圆形横截面，第二波导205包括方形横截面。换能器201由电子驱动电路207来驱动，用于产生在第一波导203和第二波导205中行进的扭转波。第一波导203和第二波导205浸没在返回流体116中，并且在一端被驱动以导引扭转波传播通过第一波导203和第二波导205，其中，扭转波的传播速度取决于返回流体116而变化。电子驱动电路207包括脉冲发射器/接收器以及定时器。由电子驱动电路207产生连续的或脉冲的直流电流，并且以扭转波的形式轴向穿过第一波导203和第二波导205。类似地，扭转回波沿着第二波导205和第一波导203返回，并且，扭转回波可由换能器205检测到。第一波导203和第二波导205用来提供扭转波和扭转回波的波路径。参照图3，示出根据本发明的一个具体实施方式的扭转波密度计的示意图。图3示出对应于分别从第二波导205的顶面211和第二波导205的底面213接收到的激励脉冲的回波A、B的电信号的踪迹。两个回波A、B之间的间隔tAB为扭转波在第二波导205中的飞行时间。飞行时间tAB取决于波导和周围流体(即返回流体116)的密度、流体粘度以及波导的形状。因此，在检测到飞行时间tAB，已知第二波导205的材料密度并计算出流体粘度之后，便可计算出返回流体116的密度。图3是将扭转波应用于传感器本体上的换能器的一个示例。这种波也可以由其他合适类型的压电式换能器来产生。可以理解的是，可以应用任何这种扭转波换能器或者具有用于波导的合适特性的其他已知的换能器。在高压和高温下，扭转波密度计非常适合用于测量返回流体116的密度。然而，本发明的第二检测装置119并不应局限于使用扭转波密度计。在其他具体实施方式中，第二检测装置119也可以使用超声装置来测量返回流体116的密度参数。在本具体实施方式中，超声装置用来基于超声信号在返回流体116中的传播属性来测量返回流体116的密度。超声信号的传播属性可以包括传播速度或传播能量。在一个具体实施方式中，作为非限制性的示例，超声装置可以包括超声密度计。超声密度计可以包括一个或多个超声换能器以及用于激励该一个或多个超声换能器的超声脉冲发射及接收装置。在一个具体实施方式中，一个或多个超声换能器可以设置在立管111上，例如，一个或多个超声换能器可以设置在立管111的外表面或内表面上。在另一个具体实施方式中，一个或多个超声换能器可以设置在套管上。在一个具体实施方式中，作为示例，超声密度计包括一个超声换能器。超声脉冲发射及接收装置用来通过该超声换能器来向环形空间122发射超声信号并且通过该超声换能器来接收超声信号。通过测量超声信号从发射到接收的时间t，并且，因为超声信号在返回流体116中传播的超声束路径L是已知的，因此，可以获得超声信号在返回流体116中的传播速度c，如以下公式所示：C=Lt---(1)]]>此外，已知超声信号在返回流体116中的传播速度c是随返回流体116的密度ρ而变化的函数，如以下公式(2)所示，其中，k代表压缩系数：C=1ρk---(2)]]>从以上公式(2)，根据超声信号在返回流体116中的传播速度c可以获得返回流体116的密度ρ。因此，超声密度计可以基于超声信号在返回流体116中的传播速度c测量出返回流体116的密度ρ。超声密度计结构简单，并且，可以很容易地测量出返回流体116的密度ρ。以上仅为本发明的使用超声装置来测量返回流体116的密度参数的其中一个算法。然而，本发明也可以使用其它的算法来测量返回流体116的密度参数。当然，本发明的第二检测装置119也可以包括其他类型的用于测量流体密度参数的装置，如科氏力流量计、浮球型密度计、谐振壳式密度计、音叉密度计、γ射线式密度计及差压式密度计等。进一步地，本发明还提供了一种用于识别井涌的方法。图4示出根据本发明的一个具体实施方式的用于识别井涌的方法的流程图。如图4所示，根据本发明的一个具体实施方式的用于识别井涌的方法400包括如下步骤：在步骤401中，获得与来自钻井系统100钻探的井筒132的返回流体116相关的特性参数。在一个具体实施方式中，可以通过使用第一检测装置109来测量出与返回流体116相关的特性参数。在步骤403中，获得返回流体116的密度参数。在一个具体实施方式中，可以通过使用第二检测装置119来测量出返回流体116的密度参数。例如，可以使用扭转波密度计基于扭转波来测量返回流体116的密度参数。或者，也可以使用例如超声密度计的超声装置基于超声信号在返回流体116中的传播属性来测量出返回流体116的密度参数。以上已经详细描述了如何使用扭转波密度计或超声密度计来测量出返回流体116的密度参数。在步骤405中，基于所获得的与返回流体116相关的特性参数以及所获得的返回流体116的密度参数来识别出井涌的发生。在一个具体实施方式，基于所获得的特性参数产生第一报警信号，并且，基于所获得的密度参数来产生第二报警信号。在一个具体实施方式中，通过分析所获得的返回流体116的密度参数，当分析的结果指示返回流体116包括侵入不期望的流体时，产生第二报警信号。根据本发明的用于识别井涌的方法可以监控与返回流体116相关的特性参数来作为识别井涌发生的第一参考指标，并且可以监控返回流体116的密度参数来作为识别井涌发生的第二参考指标。通过将识别井涌发生的第一参考指标和第二参考指标结合起来应用，本发明的方法能够大大地提高预测井涌发生的精确度，降低误报警，并且进而可以提高系统的运行效率。虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。